双层开孔直立式板结构的消波性能试验.pdf

双层开孔直立式板结构的消波性能试验*汪宏，沈丽玉，王勇（江苏科技大学船海学院，江苏 镇江 212003）摘要：在波浪与双层开孔直立式消浪板结构相互作用的模型试验中，给出了双层开孔直立式消浪板不同开孔形式在规则波作用下的透射系数。利用透射系数来反映结构的消波性能。分析了透射系数与水深、波浪要素之间的无量纲关系曲线。试验结果表明，双层开孔直立式消浪板结构具有消能好的优点。关键词：波浪；双层开孔直立板；透射系数中图分类号：U 656.31文献标志码：A文章编号：1002-4972（2011）02-0021-05Test on wave-dissipating performance of double-layer-hole vertical plate structureWANG Hong,SHEN Li-yu,WANG Yong(Institute of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)Abstract:In the model test of wave with the double-layer-hole vertical plate structure,we measured thetransmission coefficients of the double-layer-hole vertical plates with different open-hole types in regular wave,which were used to evaluate the performance of the structure.We also analyzed the dimensionless relationship ofthe transmission coefficient with the depth and wave elements.Test results show that the double-layer-holevertical plate structure possesses good wave-dissipating performance.Key words:wave;double-layer-hole vertical plate;transmission coefficient2011 年 2 月第 2 期总第 450 期Feb.2011No.2Serial No.450水运工程Port&Waterway Engineering收稿日期：2010-07-15*基金项目：镇江市科技计划项目（2008CH076J）作者简介：汪宏(1960)，男，教授，主要从事港航和海洋结构工程。开孔直立式结构具有良好的消浪功效及港域泊稳条件等优点，自从 20 世纪 60 年代 Jarlan1提出了开孔墙式防波堤，有些学者提出将水平板与其它的海工结构物结合在一起使用。例如：Wu 等2在直立圆筒的周围安装一个多孔圆环，以降低圆筒上的水平力、水平力矩和波浪爬高；Yip 等3在全开孔防波堤的消浪室内安装一水平实体板来提高前开孔墙的稳定性，安装水平板后，结构物达到最小反射时所对应的消浪室宽度大幅度减小。为了进一步提高结构物的消波性能，也有研究者将开孔前墙变为两层或多层；通常也将前墙做成局部开孔的形式来提高结构物的稳定性。国内外许多研究者对波浪与开孔板的相互作用进行了大量的物理模型试验。例如：Bergmann等4在大波浪水槽内进行了大尺度物理模型试验，研究了开孔板上的波浪压力分布；Rao 等5试验研究了正向波与由双排空管组成的开孔防波堤的相互作用，分析了水深、波陡、双排管的间距以及同排相邻管之间的距离对透射系数的影响。戴冠英等6-7通过二维水槽试验分析了开孔直立墙上的波浪压力分布和开孔墙的反射系数和透射系数。李玉成等8提出了一种用于研究由双层开孔板和一个不透水后板的开孔结构对斜向波反射率的理论分析方法，运用特征函数展开法通过数值计算与试验结果进行比较，并进一步讨论了几个重要因素对反射系数的影响。现结合开孔沉箱防波堤和透空式防波堤两种防波堤结构的优点，提出了双层开孔直立式板结构这水运工程2011 年图 1模型立体图一新型结构。仅就波浪与双层开孔直立式板结构的相互作用进行物理模型试验，通过不同波浪要素和不同结构形式进行多组次试验，对这一新型结构在波浪的作用下的透射性能有一个初步的了解。1模型试验概述物理模型试验是在江苏科技大学船舶与海洋工程学院重点实验室的波浪水槽中进行，该水槽长 40 m，宽 0.8 m，最大水深 1.0 m。水槽首部安装有造波机，可产生单向规则波、不规则波，产生的规则波波形平稳，重复性好。造波机推板行程350 mm，频率范围 0.22.0 Hz；造波周期为0.55.0 s；最大波高 300 mm。试验采用规则波，试验水深为 0.4 m。试验模型开孔分别为直径 0.05 m 的圆孔，直径 0.10 m 的圆孔以及组合孔。开孔率分别为 4.6%，18.3%和32.1%。试验模型均用聚甲基丙烯酸甲酯材料（亚格力有机玻璃）制成，长 0.8 m，高 0.75 m，开孔板厚 0.01 m；模型比尺为 130，相当于实际模型的长 24 m，高 22.5 m，开孔板厚 0.3 m。为了使模型结构更加稳固，两层板之间用 6 道横梁（6 根直径为 1 cm 的螺栓）联接。双层板开孔形式是统一的，两板之间的距离利用螺栓调节。图 1 所示为开孔率为 18.3%的模型立体图（开孔为直径 0.10 m 的圆孔）。模型在水槽中的布置如图 2 所示。为了尽量减小波浪反射影响，试验时将模型放置在水槽后部，并距离造波机足够远的地方，大于 26 m，保证模型处不会受二次反射波浪的影响。为了使模型槽能更好地接触，模型宽度略低于水槽宽度，安置模型时用喷胶固定于水槽侧面。模型底面用砖固定作为防波堤结构的明基床。本试验采用 4套浪高仪，其中 1#浪高仪是用于测量入射波浪的波高；2#浪高仪用于测量波浪反射的波面高程；3#浪高仪用于测量开孔直立板前的波面高程；4#用于测量开孔直立板后的透射波高。图 2模型布置（单位：mm）试验中采用 4 组波高（0.10 m,0.12 m,0.14 m,0.16 m）和 4 组周期（0.8 s,1.0 s,1.2 s1.4 s）。无因次量波陡 H/L 的变化范围是 0.040.16。水深d 为 0.4 m 时，相对波高 H/d 的变化范围为 0.250.40，相对水深 d/L 变化范围为 0.170.40。两板之间相对距离 s/L 为：两板之间的净距离 s=0.2 m时，s/L 为 0.080.20；s=0.25 m 时，s/L 为 0.100.25；s=0.30 m 时，s/L 为 0.130.30。确定波要素以后，根据波浪模型试验规程9进行波要素率定。波要素率定后，安装并固定模型，再进行试验。每组试验中，试验结果数据都通过信号采集系统由计算机采集，采样频率20Hz，采集 30 s。2试验结果分析试验中通过 4 个浪高仪分别记录双层开孔直立式板模型结构前和结构后的波面变化过程数据。22第 2 期图 4Kt随 H/L 的变化曲线图 3Kt随 H/L 的变化曲线在放模型试验前，先在模型处测定入射波高，试验时 1#浪高仪用于监测原始波高。下面仅针对结构模型后的 4#浪高仪以及结构前 1#，2#浪高仪测得的波面变化过程，通过计算机软件计算得到透射系数，并分析了波陡，相对板间距，相对水深和开孔率对透射系数的影响。2.1波陡 H/L 的影响图 3 给出了在固定水深 d=0.4 m，板间距s=0.2 m，不同相对波高 H/d 和开孔率下 A0/A，透射系数与 H/L 相关性。从图中可以看到，同一相对波高作用下，随着波陡的增大，透射系数总体呈减小的趋势；但随着开孔面积的增大，透射系数有起伏波动，开孔越大起伏越明显，说明开孔越大，波陡对透射系数的影响越大。对于开孔率为 4.6%的圆形开孔结构，透射系数在 0.1 左右；开孔率为 18.3%时，透射系数在 0.25 左右；对于开孔率为 32.1%的组合孔结构，透射系数在 0.5 左右。图 4 给出了在固定水深 d=0.4 m 和板间距为s=0.3 m 时，不同波高 H 和开孔率 A0/A 下，透射系数 Kt与波陡 H/L 的相关性。从图中可以看到，在同一波陡变化范围内，对于不同的开孔率，开孔率越大，透射系数越大，变化也越大。所以，开孔越大时，波陡对透射系数的影响也越大。2.2相对板间距 s/d 的影响图 5 给出了模型结构在水深 d=0.4 m，开孔率为 18.3%时，不同周期和不同 H/L 下，相对板间距 s/L 对透射系数的影响。从图中可以看到，对于同一波况的入射波，透射系数随板间距的增大而减小。但是对于长波，即图 5d），波长较大时，相对板间距对透射系数的影响较不明显。2.3相对水深 d/L 的影响图 6 给出了模型结构在水深 d=0.4 m，相同开孔率 18.3%和不同板间距时，不同的 H/d 情况下，Kt随 d/L 的变化曲线图。从图中可以看到，在同一板间距，对于同一相对波高时，随着相对水深的增大，透射系数先增大，然后又减小，最后又增大。这是由于同一水深时，波浪对双层开孔直立板的作用受开孔位置的影响。a）A0/A=4.6%b）A0/A=18.3%c）A0/A=32.1%a）H=0.10 mb）H=0.12 mc）H=0.14 m汪 宏，等：双层开孔直立式板结构的消波性能试验*23水运工程2011 年c）T=1.2 s2.4开孔率 A/A0的影响图 7 为其中一组板间距 s=0.3 m，不同波周期 T时，不同相对波高情况下，透射系数随开孔率 A/A0的变化曲线。从图中可以看到，对于同一周期和相对波高，透射系数随着开孔率的增大而增大。对于波长较大的波浪时，透射系数变化更大。a）T=0.8 sb）T=1.0 sc）T=12 s图 5 Kt随 s/d 的变化曲线d）T=1.4 sa）s=0.20 mb）s=0.25 mc）s=0.30 m图 6Kt随 d/L 的变化曲线a）T=0.8 sb）T=1.0 s24第 2 期19诸裕良,严以新,贾良文,等.一维河网非恒定流及悬沙数学模型的节点控制方法J.水动力学研究与进展:A 辑,2001,16(4):503-510.20Wu Weiming,Dalmo A V,Wang S S Y.One-dimensionalnumerical model for nonuniform sediment transport underunsteady flows in channel networksJ.Journal of HydraulicEngineering,2004,130(9):914-923.21Ying Xinya,Abdul A K,Wang S S Y.Upwind conservativeschemeforthesaintvenantequationsJ.JournalofHydraulicEngineering,2004,130(10):977-987.22Chanson H,Jarny S,Coussot P.Dam break wave ofthixotropic fluidJ.Journal of Hydraulic Engineering,2006,132(3):280-293.（本文编辑武亚庆）3结语通过对 3 种双层开孔直立式板结构进行物理模型试验，得出不同条件下双层开孔直立式板的透射系数，用于研究双层开孔直立式板的消波性能。通过分析透射系数和无因次量波陡 H/L，相对板间距 s/d，相对水深 d/L，开孔率 A/A0之间的相关性。发现双层开孔直立式板结构确实具有良好的消波性能，得出以下结论：1)在一定水深和相对波高条件下，开孔率较小时，透射系数 Kt随波陡的增加而减小；开孔率较大时，波陡 H/L 对透射系数 Kt的影响较大。2)对于同一波况，透射系数 Kt随着板间距的增大而减小，因此适当增大板间距可提高结构的消波作用3)在同一板间距，对于同一相对波高时，随着相对水深的增大，透射系数 Kt先增大，然后又减小，最后又增大。这是由于同一水深时，波浪对双层开孔直立板的作用受开孔位置的影响。4)对于 3 种开孔率双层开孔直立式结构，同一波况下，透射系数 Kt随着开孔率的增加而明显增大。在试验中结构开孔率越大，前直立板的反射越小。试验过程中，发现短波时波浪对结构模型的冲击力较大，短波 H/L=0.14=1/7.14 时，受板结构反射后，波陡更大，波浪很可能破碎，产生冲击力。因此在实际工程应用中还需进行大量的物理模型试验进行研究。参考文献：1Jarlan G E.A perforated wall breakwaterJ.The Dock andHarbour Authority,1961,486:394-398.2Wu J H,Chwang A T.Wave diffraction by a vertical cylinderwith a porous ring plateJ.Journal of Engineering MechanicsASCE,2002,128(2):164-171.3Yip T L,Chwang A T.Perforated wall breakwater withinternalhorizontalplateJ.JournalofEngineeringMechanicsASCE2000,126(5):533-538.4Bergmann H,Oumeraci H.Wave pressure distribution onpermeable vertical walls C.Proceedings of the 26th CoastalEngineeringConference.CoPenhagen,Demark:ASCE,1998:2 042-2 055.5Rao S,Rao N B S,Sathyanarayana V S.Laboratoryinvestigation on wave transmission through two row ofperforated hollow pilesJ.Ocean Engineering,1999,26:675-699.6戴冠英.波浪作用下开孔直立结构的反射与透射性能J.水利水运科学研究.1993(3):291-300.7张芹,戴冠英.波浪对开孔直立结构作用力的试验研究J.水利水运科学研究,1994(4):367-374.8李玉成,刘洪杰,滕斌.双层局部开孔板沉箱对波浪反射的理论研究J.海洋工程,2005(2):18-32.9JTJ/T 2342001 波浪模型试验规程S.（本文编辑武亚庆）d）T=1.4 s图 7Kt随 A/A0的变化曲线（上接第 1 0 页）!汪 宏，等：双层开孔直立式板结构的消波性能试验*25